Bloque IV: El nivel de red Tema 9: IP

Bloque IV: El nivel de red
Tema 9: IP
Índice
• Bloque IV: El nivel de red
– Tema 9: IP
• Introducción
• Cabecera IP
• Fragmentación IP
• Referencias
– Capítulo 4 de “Redes de Computadores: Un enfoque
descendente basdado en Internet”. James F. Kurose, Keith
W. Ross. Addison Wesley, 2ª edición. 2003.
– Capítulos 3 y 11 de “TCP/IP Illustrated, Volume 1: The
Protocols”, W. Richard Stevens, Addison Wesley, 1994.
RC - Bloque IV - Tema 9
2
Introducción
•
•
Internet Protocolo –
Especificado en el RFC 791.
IP proporciona un servicio de
entrega de datagramas no
fiable y no orientado a conexión
HTTP
SMTP
APLICACIÓN
– No fiable:
• No hay garantía de que el
datagrama alcance su destino.
• Sigue un esquema “best effort”:
Cuando algo va mal (p.e: un
router con buffers agotados)
ejecuta un algoritmo simple de
gestión de errores: descarta el
datagrama y trata de enviar un
mensaje ICMP a la fuente.
DNS
TCP
UDP
TRANSPORTE
– No orientado a conexión:
• IP no mantiene información de
estado relativa a datagramas.
Cada datagrama se gestiona
independientemente de otros
datagramas.
• Los datagramas se pueden
recibir desordenados.
IP
RED
Ethernet
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ENLACE
3
Cabecera IP
0
8
Versión Long.
(4 bits) Cabec.
16
TOS (8 bits)
Identificación (16 bits)
TTL (8 bits)
Protocolo (8 bits)
31
Longitud total (16 bits)
Flags
(3 bits)
Offset de fragmentación
(13 bits)
Checksum cabecera (16 bits)
20 bytes
Dir. IP origen (32 bits)
Dir. IP destino (32 bits)
Opciones (opcional y variable)
Datos (opcional y variable)
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4
Cabecera IP
•
•
•
•
•
Utilizamos “network byte order”: ordenación de bytes “big endian”. Es el orden que se
requiere en TCP/IP para transmitir los bytes en la red. Considerando palabras de 32 bits:
bits 0-7 primero, bits 8-15 a continuación, etc., siendo el bit 0 el más significativo.
Versión: Versión actual de IP (4).
Longitud de cabecera: Número de bytes en la cabecera (incluidas las opciones si las
hubiera (< 60 bytes).
Tipo de servicio (TOS): 3 bits de precedencia (no se usan) + 4 bits de información + 1 bit
que no se usa
– Bits de información:
• Minimizar retardo
• Maximizar “throughput”
• Maximizar fiabilidad
• Minimizar coste económico
– De los 4 bits de información, sólo uno puede estar a 1 con cada servicio. RFC 1350
indica cual es el uso que se debe hacer de estos bits para cada aplicación estándar.
Longitud total: Longitud total de datagrama IP en bytes.
– Utilizando este campo y el de longitud de la cabecera se puede saber con exactitud
dónde comienza la zona de datos del datagrama IP y su longitud.
– Campo de 16 bits: máximo tamaño es 65535 bytes.
– Muchas aplicaciones limitan actualmente la longitud de los datagramas IP a 8192
bytes (caso de aquellas que utilizan NFS).
– Se precisa este campo porque un datagrama IP puede llegar a ser de menor tamaño
que el mínimo exigido por el nivel de enlace (Ethernet, 46 bytes). En estos casos se
añaden bytes para configurar la trama del nivel de enlace.
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5
Cabecera IP
•
•
•
•
•
Identificación: identifica unívocamente el datagrama IP enviado por una máquina.
– Normalmente se incrementa en una unidad cada vez que se envía un datagrama.
Flags y offset de fragmentación: Campos para fragmentación.
TTL (Time To Live): Establece un tiempo máximo de vida para el datagrama. Previene
bucles indefinidos por problemas de enrutamiento.
– Establece un límite en el número de “routers” por los que puede pasar un datagrama:
normalmente 32 o 64.
– Cada vez que el datagrama pasa por un “router”, se decrementa en una unidad el
valor de este campo.
– Cuando vale 0 se descarta el datagrama y se notifica al remitente con un mensaje
ICMP.
Protocolo: usado por IP para demultiplexar. Permite identificar de qué protocolo de la capa
de transporte son los datos enviados.
Checksum de cabecera: Sólo para la cabecera. Se calcula:
– Se pone a cero
– Se calcula la suma complemento a uno (en bloques de 16 bits) de la cabecera.
– El complemento a uno de esta suma se almacena en el checksum.
– En recepción, se hace la suma complemento a uno de la cabecera. Si no da todos
unos, se considera error, se descarta el datagrama y no se notifica.
– Como cada router decrementa el campo TTL para cada datagrama que enruta, debe
actualizarse el checksum.
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Cabecera IP
• Dirección IP de origen y destino: 32 bits cada una.
• Opciones: Información opcional de longitud variable. Las
opciones definidas son:
– Seguridad y gestión de restricciones (para aplicaciones
militares) RFC 1108.
– Registro de enrutamiento (record route): cada “router” marca
su hora y dirección IP (máximo 9 routers).
– Timestamp: Va anotando la ruta y además pone una marca
de tiempo en cada salto (máximo 4 routers).
– Lista estricta de enrutamientos (strict source routing): La
cabecera contiene la ruta paso a paso que debe seguir el
datagrama (máximo 9).
– Lista difusa de enrutamientos (loose source routing): la
cabecera lleva una lista de routers por los que debe pasar el
datagrama, pero puede pasar además por otros (máximo 9).
– La longitud ha de ser múltiplo de 32 bits. Si hace falta, se
añaden bytes PAD para cumplir esta condición.
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Fragmentación IP
• El nivel físico de la red impone un límite superior al tamaño de
la trama que se puede transmitir (MTU – Maximum
Transmission Unit).
– Ethernet: 1500 bytes
– Token Ring: 4440 bytes
• Cuando el nivel IP recibe un datagrama, identifica la interfaz de
red a utilizar y la interroga sobre su MTU:
– Compara la respuesta con la longitud del datagrama.
– Se hace fragmentación si la longitud del datagrama es
mayor que el MTU.
• El reensamblaje de datagramas IP fragmentados se produce
cuando el datagrama alcanza el destino final:
– Lo hace el nivel IP del destino.
– La fragmentación es transparente al nivel de transporte.
• En la cabecera IP se almacena la información relacionada con
la fragmentación IP.
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Fragmentación IP
• Cabecera IP – Campos para fragmentación
0
8
Versión
(4 bits)
16
Long.
Cabec.
Longitud total (16 bits)
TOS (8 bits)
Identificación (16 bits)
TTL (8 bits)
31
Protocolo (8 bits)
-
DM
FF
Offset de fragmentación
(13 bits)
Checksum cabecera (16 bits)
Dir. IP origen (32 bits)
Dir. IP destino (32 bits)
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9
Fragmentación IP
•
•
•
•
•
•
Identificación: valor único para cada datagrama IP transmitido Î
Todos los fragmentos de un datagrama contienen el mismo valor.
Flags:
– El primer bit está reservado.
– Bit DF (Don’t Fragment): a 1 si se prohíbe fragmentar el datagrama
IP.
– Bit MF (More Fragments): a 1 si hay más fragmentos a
continuación Î Se pone a 0 en el último fragmento.
Offset de fragmento: desplazamiento en múltiplos de 8 bytes del
fragmento desde el origen del datagrama original.
Longitud total: se cambia la longitud total del datagrama por longitud
total del fragmento.
El tamaño de cada fragmento debe ser múltiplo de 8 bytes, excepto el
último fragmento Î Por el campo offset de fragmento.
Si está activado el flag DF y es necesario fragmentar Î Se genera un
mensaje de error ICMP Unreachable Error (Fragmentation Required).
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Fragmentación IP: Ejemplo 1
•
Desde el host X se envían al host Y 2000 bytes de datos NFS
(utilizando el protocolo UDP).
host X
host Y
RED A – Ethernet
MTU: 1500 bytes
Aplicación
Transporte
Red
2000 bytes
NFS
Datos NFS
UDP
8 bytes
Cab.
UDP
Datos NFS
IP
Cab.
UDP
Datos NFS
2008 bytes > (MTU-20) Î Fragmentación IP
Enlace
Ethernet
MTU:
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9 1500 bytes
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Fragmentación IP: Ejemplo 1
• MTU = 1500 bytes
• Cada fragmento lleva una cabecera IP Î 1500 – 20 = 1480
– ¿Es 1480 múltiplo de 8? 1480/8= 185 Î Si
• Dividir 2008 bytes en fragmentos de 1480 bytes:
– Fragmento 1: 1480 bytes + 20 bytes (cab. IP)
– Fragmento 2: 528 bytes + 20 bytes (cab. IP)
Offset
0
1480
Cab.
UDP
Datos NFS
Fragmento 1
Cab. IP
Cab.
UDP
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Identificación: 12345
DF: 0
MF: 1
Offset: 0
Long. total: 1480 + 20
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Fragmentación IP: Ejemplo 1
Offset
0
1480
Cab.
UDP
Datos NFS
Fragmento 2
Cab. IP
Identificación: 12345
DF: 0
MF: 0
Offset: 185
Long. total: 528 + 20
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Desde el host X se envían al host Y 3013 bytes de
datos UDP (sin incluir la cabecera UDP).
host X
RED A – Ethernet
MTU: 1500 bytes
RA
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host Y
RED C – Ethernet
MTU: 1500 bytes
RED B – PPP
MTU: 296 bytes
RB
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red A
– MTU: 1500 bytes – 20 bytes (cab. IP) = 1480
bytes (1480/8=185 Î Múltiplo de 8)
– 3013 bytes + 8 bytes = 3021 bytes de datos IP
– Dividir 3021 bytes en fragmentos de 1480
• Fragmentos 1 y 2: 1480 bytes
• Fragmento 3: 61 bytes
8
Cab.
UDP
Offset
0
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3013 bytes
Datos UDP
1480
2960
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red A:
Fragmento 1
Cab. IP
Fragmento 2
Cab. IP
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 0
Long. total: 1480 + 20
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 185
Long. total: 1480 + 20
Fragmento 3
Cab. IP
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 0
Offset: 370
Long. total: 61 + 20
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
– MTU: 296 bytes – 20 bytes (cab. IP) = 276 bytes
(276/8=34.5 Î No es múltiplo de 8 Î Primer
múltiplo menor de 276 Î 272 bytes)
– ¿Se reagrupan los fragmentos? NO!
– Dividir el Fragmento 1 Î Dividir 1480 bytes en
fragmentos de 272 bytes:
• 5 fragmentos de 272 bytes y 1 fragmento de
120 bytes
– Dividir el Fragmento 2 Î Igual que el fragmento 1
– Dividir el Fragmento 3 Î No: 81 bytes <= MTU
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Fragmento 1
Fragmento 1.1
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 0
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.3
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 68
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.5
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 136
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.2
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 34
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.4
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 102
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.6
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 170
Long. total: 120 + 20
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Fragmento 2
Fragmento 2.1
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 185
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.3
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 253
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.5
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 321
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.2
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 219
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.4
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 287
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.6
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 1
Offset: 355
Long. total: 120 + 20
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Fragmento 3
Fragmento 3
Identificación: 6789
DF: 0
MF: 0
Offset: 370
Long. total: 61 + 20
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20
Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red C
– MTU: 1500 bytes
– ¿Qué fragmentos circulan por la red C: los
mismos que por la red A o por la red B?
– No se reagrupan hasta llegar al destino final Î
Los mismos que por la red B.
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
host X
RED A – Ethernet
MTU: 1500 bytes
RA
host Y
RED C – Ethernet
MTU: 1500 bytes
RED B – PPP
MTU: 296 bytes
RB
SYN, <MSS 1460>
SYN, <MSS 1460>
• Desde A se envían a B 3013 bytes de datos TCP (sin
incluir la cabecera TCP).
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
•
Red A
– MSS: 1460 bytes
– Dividir 3013 bytes en segmentos de 1460 bytes:
• Segmento 1: 1460 bytes (0-1459)
• Segmento 2: 1460 bytes (1460-2919)
• Segmento 3: 93 bytes (2920-3012)
Segmento 1
Cab. IP
TCP
Segmento 2
0-1459
Cab. IP
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 0
Offset: 0
Long. total: 1480 + 20
Segmento 3
Cab. IP
TCP
1459-2919
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 0
Offset: 0
Long. total: 1480 + 20
2920-3012
Identificación: 67892
DF: 0
MF: 0
Offset: 0
Long. total: 113 + 20
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TCP
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
– MTU: 296 bytes – 20 bytes (cab. IP) = 276 bytes
(276/8=34.5 Î No es múltiplo de 8 Î Primer
múltiplo menor de 276 Î 272 bytes)
– Dividir el segmento 1 Î Dividir 1480 bytes en
fragmentos de 272 bytes:
• 5 fragmentos de 272 bytes y 1 fragmento de
120 bytes
– Dividir el segmento 2 Î Igual que el fragmento 1
– Dividir el segmento 3 Î No: 113 bytes <= MTU
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24
Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Segmento 1
Fragmento 1.1
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 1
Offset: 0
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.3
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 1
Offset: 68
Long. total: 272 + 20
Fragmento 1.2
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 1
Offset: 34
Long. total: 272 + 20
RC - Bloque IV - Tema 9
Fragmento 1.5
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 0
Offset: 136
Long. total: 120 + 20
Fragmento 1.4
Identificación: 67890
DF: 0
MF: 1
Offset: 102
Long. total: 272 + 20
25
Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Segmento 2
Fragmento 2.1
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 1
Offset: 0
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.3
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 1
Offset: 68
Long. total: 272 + 20
Fragmento 2.2
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 1
Offset: 34
Long. total: 272 + 20
RC - Bloque IV - Tema 9
Fragmento 2.5
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 0
Offset: 136
Long. total: 120 + 20
Fragmento 2.4
Identificación: 67891
DF: 0
MF: 1
Offset: 102
Long. total: 272 + 20
26
Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red B
Segmento 3
Identificación: 67892
DF: 0
MF: 0
Offset: 0
Long. total: 113 + 20
RC - Bloque IV - Tema 9
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Fragmentación IP: Ejemplo 2
• Red C
– MTU: 1500 bytes
– ¿Qué fragmentos circulan por la red C: los
mismos que por la red A o por la red B?
– No se reagrupan hasta llegar al destino final Î
Los mismos que por la red B.
RC - Bloque IV - Tema 9
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